專利名稱：具有介于彩色濾光器之間的暗側壁以減少光串擾的圖像傳感器的制作方法
技術領域：
本發明總地涉及圖像傳感器，尤其涉及圖像傳感器的濾光器。
背景技術：
圖像傳感器已變得普遍存在。圖像傳感器廣泛地用在數碼靜態相機、蜂窩式電話、 安全相機、醫學設備、汽車及其他應用中。用以制造圖像傳感器(且具體地是互補金屬氧化物半導體(“CMOS”)圖像傳感器(“CIS”))的技術已持續大步前進。舉例而言，對較高分辨率及較低功耗的需求已鼓勵了圖像傳感器的進一步小型化及整合。因此，圖像傳感器的像素陣列中的像素的數目已增加，而每一像素單元的大小已減小。典型圖像傳感器內的單一像素如下操作。光入射于微透鏡上。微透鏡經由濾光器將光聚焦至感光元件上。感光元件將經濾光的光轉換成與入射光的強度及曝露持續時間成比例的電信號。該電信號可耦合至放大及讀出電路。藉由自像素陣列俘獲并讀出圖像數據來產生整個圖像。常規圖像傳感器遭受到各種限制。在使用前側照明(“FSI”)的圖像傳感器中，金屬層、多晶硅層、擴散層等安置于微透鏡與感光元件之間。在使用FSI技術的圖像傳感器的制造期間，因此形成一通道以供光自微透鏡行進至感光元件以期避開金屬、多晶硅、擴散區等。這些通道限制可使用FSI技術俘獲的圖像的品質。一個解決方案是使用背側照明(“BSI”)。在使用BSI的圖像傳感器中，金屬層、 多晶硅層、擴散層等在基板的前側(感光元件整合于其中)上，而光自基板的背側入射。因此，無需為了避開金屬、多晶硅、擴散區等而形成至感光元件的限制路徑。相反，入射于背側微透鏡上的光具有自微透鏡經由濾光器層至感光元件的直接、無約束路徑。然而，BSI圖像傳感器亦遭受到限制。舉例而言，隨著BSI圖像傳感器的像素大小變小，微透鏡可能難以將入射光聚焦至感光元件上。結果，像素間可存在串擾。串擾在圖像傳感器中產生非所要的噪聲。另外，不存在金屬堆迭，這可幫助阻擋意欲用于給定像素的光進入鄰近像素。此外，隨著像素大小或微透鏡直徑接近或變得小于可見光的波長，聚焦入射光由于光的“衍射極限”而變得更難。用于減少串擾的一種技術為增加彩色濾光器的厚度。相信此種技術能減少光串擾的發生。然而，此種解決方案亦降低像素單元的量子效率(“QE”)。另一種技術包括自像素陣列的每隔一列開始蝕刻碳層110(見圖1)。側壁121及122形成于經蝕刻的碳層110 上。在形成側壁121及122之后，在側壁121與122之間沉積彩色濾光器陣列之前移除經蝕刻碳層110。此種方法的缺點包括在可沉積彩色濾光器陣列之前制造經蝕刻碳層110及側壁121及122所需的額外制造步驟及掩模的數目。藉由此種方法產生的側壁較寬，其中如圖1中所見，側壁寬度W的最寬部分位于鈍化層101的表面處。隨著像素單元及彩色濾光器的大小減小，側壁121及122的寬度變成較大的問題且干擾入射光的路徑及量子效率。 而且，在去除經蝕刻碳層110之后，側壁121及122并無任何結構支撐直至沉積彩色濾光器陣列為止，且可能易于受損，因此較薄的側壁可能并非實用的解決方案。
圖1(現有技術)為側 壁環繞各個彩色濾光器的圖像傳感器的一部分的橫截面圖；圖2為說明根據本發明的實施例的成像系統的方塊圖；圖3為說明根據本發明的實施例的成像系統內的兩個4T像素的像素電路的電路圖；圖4為根據本發明的實施例的BSI圖像傳感器的一部分的橫截面圖；圖5A為根據本發明的實施例的直至形成綠色濾光器陣列為止所制造的部分制造好的BSI成像傳感器的橫截面圖；圖5B為說明根據本發明的實施例的綠色濾光器陣列之上的共形涂層的部分制造好的BSI成像傳感器的橫截面圖；圖5C為說明根據本發明的實施例的各向異性隔片蝕刻的部分制造好的BSI成像傳感器的橫截面圖；及圖5D為說明根據本發明的實施例的彩色濾光器陣列的剩余部分的形成的部分制造好的BSI成像傳感器的橫截面圖。
具體實施例方式本文中描述用于具有減少的串擾的圖像傳感器的裝置及系統的實施例。在以下描述中，陳述眾多具體細節以提供對該等實施例的透徹理解。然而，本領域的技術人員將認識至IJ，本文中所描述的技術可在無該等具體細節中之一或多者的情況下加以實踐或以其他方法、組件、材料等來加以實踐。在其他情況下，不詳細展示或描述熟知結構、材料或操作以避免混淆某些方面。遍及本說明書對“一個實施例”或“實施例”的參考意謂結合該實施例所描述的特定特征、結構或特性包括于本發明的至少一個實施例中。因此，在本說明書全文各處的短語 “在一個實施例中”或“在實施例中”的出現未必均指同一實施例。此外，可在一個或多個實施例中以任何合適方式組合特定特征、結構或特性。圖2為說明根據本發明的實施例的成像系統200的方塊圖。成像系統200的所說明實施例包括像素陣列205、讀出電路210、功能邏輯215及控制電路220。像素陣列205為圖像傳感器或像素(例如，像素P1、P2、…、Pn)的二維(“2D”) 陣列。在一個實施例中，每一像素為互補金屬氧化物半導體(“CMOS”)成像像素。如所說明，將每一像素配置成行(例如，行Rl至Ry)及列(例如，列Cl至Cx)以獲取人、地點或物件的圖像數據，該圖像數據接著可用來呈現人、地點或物件的2D圖像。在一個實施例中，像素陣列205為背側照明(“BSI”)圖像傳感器。在一個實施例中，像素陣列205為前側照明 (“FSI”)圖像傳感器。在一個實施例中，像素陣列205包括安置于陣列的背側之上的彩色濾光器圖案，諸如拜耳(Bayer)圖案、馬賽克順序圖案或其他圖案。拜耳濾光器圖案按交替紅色濾光器與綠色濾光器、接著綠色濾光器與藍色濾光器的連續列來排序_拜耳濾光器圖案所具有的綠色濾光器為紅色濾光器或藍色濾光器的兩倍。
在每一像素已獲取其圖像數據或圖像電荷之后，藉由讀出電路210來讀出圖像數據，且將該圖像數據傳送至功能邏輯215。讀出電路210可包括放大電路、模數(“ADC”) 轉換電路或其他電路。功能邏輯215可僅儲存圖像數據或甚至藉由應用后期圖像效果(例如，修剪、旋轉、去紅眼、調整亮度、調整對比度或其他操作)來操縱圖像數據。在一個實施例中，讀出電路210可沿著讀出列線而一次讀出一行圖像數據(經說明)，或可使用各種其他技術來讀出圖像數據(未經說明)，諸如，串行讀出或同時對所有像素的完全并行讀出。控制電路220耦合至像素陣列205以控制像素陣列205的操作特性。舉例而言， 控制電路220可產生用于控制圖像獲取的快門信號。在一個實施例中，該快門信號為用于同時使像素陣列205內的所有像素能夠在單一獲取窗期間同時俘獲其各別圖像數據的全域快門信號。在一替代實施例中，該快門信號為滾動快門信號，藉此在連續獲取窗期間依序地啟用每一行、每一列或一組像素。圖3為說明根據本發明的實施例的像素陣列內的兩個四晶體管(“4T”)像素的像素電路300的電路圖。像素電路300為用于實施圖2的像素陣列205內的每一像素的一個可能的像素電路架構。然而，應了解，本發明的實施例并不限于4T像素架構；實情為，受益于本發明本領域的技術人員將理解，本發明的教示亦適用于3T設計、5T設計及各種其他像素架構。在圖3中，像素Pa及Pb配置成兩行及一列。每一像素電路300的所說明實施例包括光電二極管PD、傳送晶體管Tl、重設晶體管T2、源極跟隨器(“SF”)晶體管T3及選擇晶體管T4。在操作期間，傳送晶體管Tl接收傳送信號TX，該傳送信號TX將光電二極管 PD中累積的電荷傳送至浮動擴散節點FD。在一個實施例中，浮動擴散節點FD可耦合至用于臨時儲存圖像電荷的儲存電容器。重設晶體管T2耦合于電力軌VDD與浮動擴散節點FD 之間以在重設信號RST的控制下重設(例如，對FD放電或充電至預設電壓)。浮動擴散節點FD經耦合以控制SF晶體管T3的柵極。SF晶體管T3耦合于電力軌VDD與選擇晶體管 T4之間。SF晶體管T3用作提供自像素輸出的高阻抗的源極跟隨器。最后，選擇晶體管T4 在選擇信號SEL的控制下選擇性地將像素電路300的輸出耦合至讀出列線。在一個實施例中，藉由控制電路220產生TX信號、RST信號及SEL信號。圖4為根據本發明的實施例的BSI圖像傳感器400的一部分的橫截面圖。圖4說明BSI圖像傳感器400內的三個鄰近像素。BSI圖像傳感器400的像素為圖2中的像素陣列205內的像素P1、P2、…、Pn的一個可能實施方案。BSI圖像傳感器400的所說明實施例包括基板401、釘扎區402A至402C(統稱402)、感光區403A至403C(統稱403)、背側摻雜層404、像素電路區405A至405C(統稱405)、淺溝槽隔離(“STI”)407、金屬堆迭410、抗反射(“AR” )層430、彩色濾光器440A至440E (統稱440)、暗側壁膜445A至445D (統稱 445)及微透鏡450A至450C (統稱450)。術語基板在本文中按廣義使用且包括半導體塊狀晶圓層以及形成于塊狀晶圓層上的外延層。在一些實施例中，基板層401為半導體(例如，硅)外延層。像素電路405A、 405B及405C可各自包括傳送晶體管Tl、重設晶體管T2、源極隨耦晶體管SF及選擇晶體管 T4 ；然而，為免弄亂圖4，這些元件以虛線框表示。金屬堆迭410安置于基板401的前側上， 且包括藉由通孔連接且藉由金屬間介電層412分離的金屬層Ml及M2。雖然所說明的實施例說明了兩個金屬層，但應了解，實施例可包括藉由金屬間介電層分離的更多或更少的金屬層。釘扎區402位于基板401的前側表面處或附近、在感光區403之下，但在其他實施例
6中，釘扎區可位于他處或甚至完全省略。在一個實施例中，基板401為P型摻雜硅，感光區 403為形成光電二極管的η型摻雜區，且背側摻雜層404為具有比基板401高的摻雜劑濃度的P型摻雜層。背側摻雜層404具有增強感光區403中的電荷收集的效應，且減少基板 401的背側表面處的暗電流產生。微透鏡450安置于彩色濾光器440的背側上。在操作期間，微透鏡450經由其各別彩色濾光器440將背側入射光引向其各別感光區403。彩色濾光器對光濾光以產生彩色圖像。光的到達感光區403的部分轉換成被收集且儲存為電信號的光生電荷載流子。若光以相對于法線足夠大的角度入射于微透鏡450上，則其可自一個彩色濾光器 440進入鄰近彩色濾光器440中且被錯誤的感光元件403收集。此形式的串擾稱作色彩串擾，且可有害地影響圖像品質及圖像數據的色彩品質。因此，本發明的實施例包括安置于鄰近彩色濾光器440之間的暗側壁膜445。在一實施例中，暗側壁膜445由以下材料形成黑色材料(或因其他原因為暗、不透明或部分不透明的材料)或含有黑色/暗染料、顏料染色或諸如碳、石墨或Cr03的物質且給予暗或黑色顏料染色以吸收離軸或斜射光(見光線460) 的材料。因此，像素之間的色彩串擾減少，因為進入給定彩色濾光器440中的光在側向上被阻擋。在一個實施例中，暗側壁膜445實質上或幾乎為不透明的。歸因于在下文結合圖5A 至圖5D描述的制造技術，暗側壁膜445相對較窄，且因此對每一彩色濾光器440的總體孔徑寬度W具有很小影響。在一實施例中，每一彩色濾光器440的孔徑寬度W約1.4μπι，而高度H大致介于600nm至800nm之間。在一實施例中，暗側壁膜445的厚度小于孔徑寬度 W的10%。在一實施例中，暗側壁膜445與彩色濾光器440具有相同的高度H，藉此沿彩色濾光器440的整個側面隔離鄰近的彩色濾光器440。在一實施例中，每一暗側壁膜445位于鄰近微透鏡450下方且在鄰近微透鏡450的轉角之間對準。圖5A至圖5D說明根據本發明的實施例的用于制造包括暗側壁膜445的圖像傳感器400的技術。圖5A為直至形成綠色濾光器陣列為止的部分制造好的BSI圖像傳感器400 的橫截面圖。注意，金屬堆迭410未說明于圖5A(或剩余的圖5B至圖5D)中僅是為了簡化圖式，但其通常是在像素電路405的制造之后且在彩色濾光器440的背側處理之前的前側處理期間制造。在拜耳濾光器圖案中，彩色濾光器是按交替紅色濾光器與綠色濾光器、接著綠色濾光器與藍色濾光器的連續行來排序。綠色濾光器的數目為紅色濾光器或藍色濾光器的兩倍。綠色濾光器在彩色濾光器陣列上形成棋盤圖案。在所說明的實施例中，綠色濾光器440C沉積于圖像傳感器400的背側上并使用光刻技術來圖案化。在綠色濾光器440形成于圖像傳感器400的背側之上之后，暗保形涂層560沉積于綠色濾光器陣列之上，如圖5B中所見。暗保形涂層560可由各種材料制成，包括黑色材料(或因其他原因為暗、不透明或部分不透明的材料)或含有黑色/暗染料、顏料染色或諸如碳、石墨或Cr03的物質的材料，且具有實質上均一的厚度。在一實施例中，厚度小于像素大小的I0%o圖5C說明對BSI圖像傳感器400的背側執行的各向異性蝕刻。蝕刻制程自水平表面(例如，綠色濾光器陣列的頂側，及BSI圖像傳感器400的背側的暴露水平部分)移除暗保形涂層560，使得每一綠色濾光器440A、440C、440E的側面仍涂布有暗側壁膜445。剩余暗側壁膜445充當鄰近彩色濾光器之間的光學側壁障壁以減小鄰近像素之間的串擾。暗側壁膜445分離諸個彩色濾光器440，如圖5D中所說明。
由于暗側壁膜445由單一保形涂層形成，因此其與彩色濾光器450自身的寬度相比可能相對較薄，且將不會顯著地減少每一像素的孔徑大小。因此，暗側壁膜445減少色彩串擾，同時保持BSI圖像傳感器400的量子效率(撞擊像素陣列205的背側的光子作為圖像電荷收集于感光區405內的百分數)。暗側壁膜445的厚度自彩色濾光器的頂部至底部實質上均一。形成暗側壁膜445之上述技術為自對準工藝，具有很少或無覆迭控制問題。此外，除了用以形成彩色濾光器的掩模之外，不要求額外掩模。在圖5D中，形成剩余的彩色濾光器540B及540C，在拜耳圖案濾光器陣列的情況下，其取決于特定列而為兩個紅色濾光器或是兩個藍色濾光器。應注意，上述描述假定使用紅色、綠色及藍色感光元件來實施圖像傳感器。受益于本發明的本領域的技術人員將了解，該描述亦適用于其他原色濾光器或補色濾光器。舉例而言，洋紅色、黃色及青藍色為可用以產生彩色圖像的一組常見的替代補色。若在彩色濾光器圖案中使用四種色彩(諸如，青藍色、黃色、綠色及洋紅色濾光器圖案)，則首先可圖案化兩個彩色濾光器以在沉積暗保形涂層之前在圖像傳感器的背側上形成棋盤圖案。另外，使一組綠色感光元件與交替的紅色及藍色感光元件交錯或穿插亦并非必要的，但這些配置為常見的，因為人類視覺系統對綠波段中的色彩比對可見光譜中的其他色彩更敏感。所說明的實施例為BSI圖像傳感器；然而，應了解，本發明的實施例亦可應用于前側照明(FSI)圖像傳感器。安置于鄰近彩色濾光器之間的暗側壁膜可廣泛地用以減小像素之間的串擾。本發明的所說明實施例的以上描述(包括在摘要中所描述的內容)不意欲為詳盡的或將本發明限于所揭示的精確形式。如本領域的技術人員將認識到，雖然在本文中出于說明性目的而描述本發明的具體實施例及實例，但在本發明的范疇內各種修改是可能的。可根據以上詳細描述而對本發明進行這些修改。在以下權利要求中所使用的術語不應被理解為將本發明限于本說明書中所揭示的具體實施例。實情為，本發明的范疇將完全藉由以下權利要求確定，以下權利要求將根據權利要求解釋的既定準則加以理解。
權利要求
1.一種圖像傳感器，其包括安置于基板層中的像素陣列，所述圖像傳感器包含感光元件陣列，其安置于基板層中；彩色濾光器陣列(“CFA”)，其包括具有至少兩種不同色彩、安置于基板層的光入射側之上的CFA元件；微透鏡陣列，其安置于CFA之上，其中每一微透鏡被對準以經由相應CFA元件將入射于圖像傳感器的光入射側上的光指引至相應感光元件；及暗側壁膜，其安置于CFA元件的側面上且分離CFA元件中的具有不同色彩的鄰近者。
2.如權利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，所述暗側壁膜實質上不透明。
3.如權利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，所述暗側壁膜包含用碳、石墨或CrO3 中的至少一者染色的暗材料。
4.如權利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，所述暗側壁膜中的每一者具有實質上均一的厚度。
5.如權利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，所述暗側壁膜接觸鄰近CFA元件，且界定所述鄰近CFA元件之間的邊界。
6.如權利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，所述圖像傳感器包含背側照明的互補金屬氧化物半導體(“CMOS”)圖像傳感器，且所述基板層包含外延硅層。
7.如權利要求6所述的圖像傳感器，其特征在于，還包含金屬堆迭，所述金屬堆迭包括藉由絕緣介電層分離的一或多個金屬層，所述絕緣介電層安置于所述像素陣列的前側上用于在所述像素陣列的前側之上路由信號。
8.如權利要求7所述的圖像傳感器，其特征在于，還包含背側摻雜層，其具有比所述基板層高的摻雜劑濃度、安置于所述基板層與所述CFA之間；及抗反射層，其安置于所述背側摻雜層與所述CFA之間。
9.如權利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，所述圖像傳感器包含前側照明的互補金屬氧化物半導體(“CMOS”)圖像傳感器，且所述基板層包含外延硅層。
10.一種制造圖像傳感器的方法，所述方法包含在半導體層內形成感光元件陣列；在所述感光元件陣列之上形成彩色濾光器陣列(“CFA”)的第一色彩元件陣列；在所述第一色彩元件陣列之上形成暗涂層；移除所述暗涂層的第一部分，同時保持所述暗涂層的在所述第一色彩元件的側面上的第二部分作為暗側壁膜；及形成所述CFA的與所述第一色彩元件陣列穿插的第二色彩元件陣列，其中所述暗側壁膜將所述第一色彩元件與所述第二色彩元件分離。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于，移除暗涂層的第一部分包含對暗涂層的各向異性蝕刻。
12.如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述暗涂層包含具有實質上均一厚度的暗保形涂層，且其中暗側壁膜具有實質上均一的厚度。
13.如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述暗側壁膜對可見光不透明或實質上不透明。
14.如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述暗涂層包含用碳、石墨或CrO3中的至少一者染色的暗材料。
15.如權利要求10所述的方法，其特征在于，形成所述CFA的第一色彩元件陣列包含將CFA的第一彩色層安置于感光元件陣列之上；及將第一彩色層圖案化至CFA的第一色彩元件陣列中。
16.如權利要求10所述的方法，其特征在于，還包含形成CFA的與第一色彩元件陣列及第二色彩元件陣列穿插的第三色彩元件陣列，其中安置于第一色彩元件的側面上的暗側壁膜使第一色彩元件、第二色彩元件及第三色彩元件彼此分離。
17.如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述CFA包含拜耳圖案CFA，且其中第一色彩元件包含綠色元件。
18.如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述圖像傳感器包含互補金屬氧化物半導體(“CMOS”)圖像傳感器。
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于，所述CMOS圖像傳感器包含背側照明圖像傳感器，其中CFA形成于CMOS圖像傳感器的背側上，所述方法還包含形成金屬堆迭，所述金屬堆迭包括藉由絕緣介電層分離的一或多個金屬層，所述絕緣介電層安置于CMOS圖像傳感器的前側上用于在感光元件陣列的前側之上路由信號。
全文摘要
本文公開了一種具有介于彩色濾光器之間的暗側壁以減少光串擾的圖像傳感器。一種用于制造包括安置于鄰近彩色濾光器之間的暗側壁膜的圖像傳感器的裝置及技術。該圖像傳感器進一步包括安置于基板層中的感光元件陣列；彩色濾光器陣列(“CFA”)，其包括具有至少兩種不同色彩、安置于該基板層的光入射側上的CFA元件；及微透鏡陣列，其安置于該CFA之上。每一微透鏡被對準以經由相應CFA元件將入射于該圖像傳感器的光入射側上的光指引至相應感光元件。暗側壁膜安置于CFA元件的側面上且分離CFA元件中的具有不同色彩的鄰近者。
文檔編號H01L27/146GK102347343SQ201110221490
公開日2012年2月8日 申請日期2011年7月25日 優先權日2010年7月26日
發明者D·毛, H·E·羅茲, V·韋內齊亞, 戴幸志, 錢胤 申請人:美商豪威科技股份有限公司